原子氧防护涂层的研究

空间材料暴露在原子氧环境中,材料表面会受到原子氧的攻击造成表面衰退,引起材料氧化和质量损耗,甚至会导致材料失效,从而减少飞行器寿命,研究发现:大多数聚合物和复合材料对原子氧敏感;金属中的银、锇易被氧化,这主要是有机物多含碳、氢、氧、氮等元素,它们具有较高的反应效率,生成挥发物;银、锇的反应速率快,通常生成氧化物,能够观察到宏观变化。因此,对飞行器上常用的材料进行防护是十分必要的,不同的材料有不同的防护方法,本文主要介绍了常用Kapton、石墨/环氧树脂等结构材料的防护,对功能材料如光学材料、热控涂层等的防护也作了介绍。研究表明:材料的氧化多发生在粗糙表面,而均化层的利用可覆盖材料表面的凸起和裂缝,提供光滑的表面。此外,文章还对涂层厚度与原子氧通量的关系、涂层厚度与产生的表面缺陷形状的关系作了定性分析和讨论。     

地面模拟空间环境下磷酸盐涂层的摩擦学行为

针对有机类固体润滑防护涂层长期暴露在空间环境下涂层表面降解、致密性下降、润滑作用失效等问题,设计开发了改性磷酸盐黏结固体润滑防护涂层。通过地面模拟空间综合环境设备系统,分析了改性磷酸盐黏结固体润滑防护涂层在长时间紫外、原子氧、高能质子和电子辐照后的结构变化和真空摩擦学性能。结果表明:紫外和高能粒子辐照对改性磷酸盐黏结固体润滑涂层的力学和真空摩擦磨损性能均无影响;原子氧对涂层表面的二硫化钼具有一定的氧化作用,但并未影响涂层的摩擦磨损性能,涂层经过各种辐照后仍然表现出良好的润滑作用。该涂层有望应用于航天飞行器相关运动部件的润滑与防护。     

ITO/Kapton/Al薄膜材料空间微小碎片与原子氧综合作用试验研究

空间微小碎片与原子氧作用对带防护涂层材料的性能有较大影响。文章针对ITO/Kapton/Al薄膜进行了微小碎片与原子氧综合作用的试验研究。结果表明:微小碎片与原子氧作用后,薄膜表面损伤严重,质量损失明显;综合作用和单独碎片撞击造成材料太阳吸收比的退化程度一致;综合作用造成ITO/Kapton/Al表面In、Sn含量降低,C含量低于单独碎片作用样品。     

长寿命载人航天器热控白漆退化性能试验研究

针对长寿命载人航天器热控白漆在空间环境下的性能退化评估需要,文章对KS-ZA白漆热控涂层进行了地面原子氧、近紫外远紫外和电子质子辐照试验,获取了涂层的空间环境退化数据,得到了涂层与原子氧的反应率,分析了涂层的长期原子氧剥蚀情况。利用经验模型对涂层的紫外辐照性能进行了数据拟合和退化预示,评估了涂层长期紫外辐照退化性能。结果表明,KS-ZA白漆具有良好的空间环境稳定性,可以满足长寿命载人航天器的热控需要。研究结果将为载人航天器热控设计与分析提供试验和退化数据支持。     

低地球轨道航天器涂层防护技术研究进展

低地球轨道(LEO)环境极为复杂,紫外辐照、原子氧辐照、高能粒子辐照等因素并存,对航天器用有机材料提出苛刻要求。为满足长寿命安全飞行,必须对航天器特别是其上采用的有机材料进行防护。文章简述了LEO环境中各因素对航天器的影响,总结了航天器防护技术特别是涂层防护方案的研究进展,并指出了未来发展方向。     

原子氧辐照对MoS_2/酚醛环氧树脂粘结固体润滑涂层摩擦磨损性能的影响

为了揭示低地球轨道环境中的原子氧对粘结固体润滑涂层摩擦学性能的影响,制备了MoS2/酚醛环氧树脂粘结固体润滑涂层,并在原子氧地面模拟没备中对其进行辐照.采用球盘摩擦试验机考察了辐照前后涂层的摩擦磨损性能,并通过扫描电子显微镜(SEM)和X-射线光电子能谱仪(xPs)分析了辐照对涂层表面结构和组成的影响.研究发现,原子氧辐照增大了涂层的摩擦系数,降低了其耐磨性.表面结构和组成分析表明,原子氧辐照引起涂层中固体润滑剂MoS2发生部分氧化和粘结剂发生部分降解,使得涂层表面的O含量显著增大,而C含量明显降低.原子氧辐照引起的涂层表面结构和组成的变化是其改变粘结固体润滑涂层摩擦学性能的主要原因.     

航天器的原子氧防护

在近地轨道飞行的航天器上的材料将会由于与大气层中的原子氧发生反应而损耗。对于在轨道上停留时间较长的空间站而言,原子氧防护将成为一个关键性问题。本文报道了美国航天飞机有关材料暴露试验的结果,表明材料损耗随原子氧通量而变化,与大气密度等多种因素有关。同时也指出了研制氧原子防护涂层的必要技术途径。     

硅氧烷原子氧防护膜工艺及防护性能研究

原子氧是对低地球轨道航天器构成重要影响的空间环境因素之一,严重影响着航天器在轨的安全运行。文章重点介绍了制备工艺对六甲基二硅氧烷原子氧防护膜结构及性能的影响,分析了防护膜的聚合原理,并对其结构、成分进行了测试分析,从而获得了防护膜的工艺参数。最后对防护膜进行了原子氧辐照实验与测试,结果表明采用等离子体聚合方法制备的原子氧防护膜具有很好的耐原子氧性能。     

样品温度对原子氧环境下ITO/Kapton/Al涂层性能变化的影响

文章利用原子氧环境地面模拟设备对航天器用材料ITO/Kapton/Al开展了原子氧环境试验研究。研究中选择的原子氧积分通量为9.1×1019 atoms/cm2,试验真空度为10-2 Pa量级,样品温度分别选取为25℃、70℃、100℃、120℃和150℃,研究样品温度对原子氧环境模拟试验可能造成的影响。试验后利用高精度微量电子天平对样品进行了质量损失测试并计算了材料的反应率,利用TEMP 2000A便携热发射率测试仪和LPSR 300便携光谱太阳吸收率测试仪分别对样品的发射率和太阳吸收比进行了测试。通过试验及分析发现:ITO膜对基底材料的保护较好,材料在试验后质量损失较少,原子氧反应率较低;样品温度的变化对ITO/Kapton/Al材料的质量损失影响较小,但对材料的热物理性质影响较大。     

材料原子氧掏蚀效应中的相似律研究

文章对有防护涂层材料的原子氧掏蚀效应蒙特卡罗模型进行了分析,发现该模型中蕴含着几何相似律,并基于相似律提出了可用于表示掏蚀历程的特征量。数值模拟研究验证了相似律的正确性。     

空间原子氧对低地球轨道航天器用粘结剂的腐蚀效应影响

原子氧是低地球轨道(leo)-种重要的空间环境因素,地面模拟试验是用于开展leo航天器备选材料原子氧环境评价的主要手段.利用北京卫星环境研究所的原子氧设备,对牌号为e-32的环氧树脂和牌号为gs414的硅橡胶两种粘结剂进行了评价试验.依据轨道参数与航天器两年的设计寿命,选定试验中原子氧的等效积分通量为1.4×1021atom/cm2.试验结果表明,环氧树脂样品出现了较大的质量损失,而硅橡胶样品的质量损失则相对较小.根据质量损失计算环氧树脂样品的原子氧反应率处于3.2×10-24～3.8×10-24cm3/atom之间.试验后的环氧树脂样品表面颜色变浅,硅橡胶样品的表面则呈现了玻璃化.对两种材料都进行了表面形貌分析,试验前后测试结果的对比分析表明原子氧的氧化作用使材料表面发生了较大的变化. abstract： atomic oxygen (ao) is prevalent in low earth orbit (leo). ground-based testing on ao exposure was performed to investigate the effects of atomic oxygen on materials to be used in leo spacecraft. two types of adhesive materials, e-32 epoxy and gs414 silicone, were tested in the atomic oxygen testing facility at beijing institute of spacecraft environment engineering (bisee). the equivalent atomic oxygen fluence in test was approximately 1.4×1021 atom/cm2 as determined based on two years' exposure on leo. significant mass losses of the epoxy adhesive samples were observed after the exposure to atomic oxygen, but relatively small mass changes were found in the silicone samples. the erosion yields of epoxy samples range from 3.2×10-24 cm3/atom to 3.8×10-24 cm3/atom. bleaching by atomic oxygen was found in the epoxy samples. the surface on the silicone sample was glossed after ao exposure. the external appearance of both kinds of materials was analyzed using scanning electron microscope (sem) and x-ray photoelectron spectroscopy (xps). a comparison between unexposed and exposed samples shows noticeable changes on the s     

一种原位测量轨道原子氧效应的电阻型传感器

为了发展原子氧环境及其效应飞行实验技术,获得在轨飞行实验数据,北京卫星环境工程研究所研制了一种小型、低成本的原子氧环境及其效应探测器。这种探测器的传感器采用对原子氧敏感的导电材料制备电阻膜。电阻膜在飞行试验中遭遇到原子氧剥蚀。在轨道飞行实验中,通过原位监测受原子氧剥蚀传感器电阻值的变化,可以探测原子氧环境通量密度及被试验样品的原子氧剥蚀率。目前,采用电镀法及紫外线光刻和金属刻蚀微加工技术,已经成功制备了原子氧通量密度锇膜电阻传感器。它可以测量原子氧的通量密度和积分通量,在400～500 km的轨道高度工作寿命约为1年。原子氧效应探测器是在石英玻璃基底上淀积银膜,试验材料膜涂覆在银膜上。试验材料膜在轨与原子氧反应而变得越来越薄,当其被完全剥蚀后,暴露出来的银膜迅速被氧化,并且电阻变大。试验材料膜的剥蚀时间可以确定,试验材料的原子氧剥蚀率就可以计算出来。     

“嫦娥一号”卫星真空热试验中的技术关键

"嫦娥一号"卫星是我国第一颗绕月探测卫星,由于其所处特殊的热环境,造成热控设计的复杂性,随之带来的是对卫星系统热控和真空热试验提出了很高的要求。该卫星在2005-2006年一年多的时间里完成了大量的整星、系统级及大部件的真空热试验,对现有的空间环境模拟试验技术是一个严峻的考验。文章分别从外热流模拟装置设计技术、热试验支架设计技术、数据测量与控制技术等方面所做的技术创新及其在"嫦娥一号"卫星系列真空热试验中的应用情况作了简要介绍。     

空间原子氧环境对常用热控涂层的影响

空间原子氧（AO）是影响低地球轨道（LEO）航天器在轨性能的主要空间环境因素之一,其强氧化性能够对热控涂层和组件造成危害。文章分析了空间AO及相关综合环境对白漆、黑漆、有色有机漆、薄膜、织物、二次表面镜等各类常用热控涂层在LEO长期使用时可能引起的环境效应和危害,提出了相关使用建议,以期为今后我国以空间站为代表的LEO长寿命航天器论证及研制提供技术参考。     

航天飞机G417载荷研制及油滴与水滴接触微重力实验

文章介绍了曾经由航天飞机STS-64飞行任务搭载的编号为G417载荷的研制经验以及利用该载荷在航天飞机上开展的油滴与水滴接触微重力实验。北京卫星环境工程研究所承担了该载荷全部研制任务,其研制经验和飞行实验可为我国将来空间站开展微重力实验提供参考。     

航天器迎风面不同位置原子氧掏蚀效应的数值模拟研究

Kapton作为基底的热控涂层被广泛应用于航天器的外表层设计中。近地轨道航天器的飞行方向与航天器表面法线之间的夹角(在本文中简称为ANI)对原子氧掏蚀效应有较大的影响。文章利用Monte Carlo方法研究了航天器迎风面(即0°≤ANI≤90°处)上ANI与掏蚀效应之间的关系。结果表明,束流和撞击能量不变时,ANI的增加会引起原子氧掏蚀空腔发生同向倾斜,空腔的深度不断减小,而宽度将急剧增加;当保护层厚度一定时,ANI的增加还会引起缺陷处入射的原子氧的反应率降低。     

磁力矩器用聚合物材料的原子氧效应试验研究

文章对磁力矩器用4种聚合物材料进行原子氧和真空效应评价试验,利用新型的原子氧环境模拟设备及其他分析手段对试样的质量损失率(SAML)和表面形貌的变化进行了研究。试验结果表明,真空环境会导致材料产生质量损失,4种材料的真空质损最大相差24倍;原子氧作用导致聚合物材料的颜色发生变化,且造成材料的质量损失,4种材料的质量损失率最大相差25倍;原子氧与有机硅物质反应能够形成保护层,可以抑制原子氧对材料内部的进一步侵蚀。     

LEO原子氧剥蚀太阳电池阵Ag互连材料的试验研究

暴露在低地球轨道(LEO)上的太阳电池阵,会与大量具有极强氧化性的原子氧发生碰撞,导致太阳电池阵中对氧原子敏感的Ag互连材料受到剥蚀。文章依据原子氧剥蚀Ag材料的机理,选取了约400 km高度轨道上1年时间内原子氧的累积通量作为最高剂量,进行了原子氧剥蚀不同厚度Ag互连材料的地面模拟环境试验。试验表明:Ag在原子氧作用下在宏观上会经历"氧化—剥落"的循环剥蚀过程。根据反应方程简化推导了Ag互连片的剥蚀厚度公式,同时结合试验结果计算出了不同厚度Ag互连材料的厚度损失率。该研究成果可为LEO太阳电池阵原子氧防护设计提供技术支持。     

同轴源原子氧地面模拟设备实用性分析

文章简要叙述了原子氧地面模拟设备的基本要求,介绍了同轴源原子氧模拟设备的性能。从原子氧的能量及分布,通量密度的大小、均匀性、重复性,以及紫外辐照和原子氧同时作用、光学性能原住测量等方面,分析了设备的实用性。该设备以上性能和功能都接近空间实际,因而试验结果比较可靠。     

热循环对原子氧与树脂基复合材料 交互作用的影响

文章选取M40/DFA-1和M40/AG-80两种碳纤维增强树脂基复合材料,进行了热循环对原子氧与这两种材料交互作用影响的研究。原子氧反应率的计算和层间剪切性能测试的结果表明,一定温度区间一定次数的热循环使得材料与原子氧交互作用减弱。该研究应用X射线光电子能谱仪（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）对样品表面成分和形貌进行了分析。根据分析结果,初步提出热循环对增强树脂基复合材料自身抗原子氧侵蚀能力的作用机理。